Untersuchungen der Löslichkeit von Norsethit als fundamentaler Beitrag zum besseren Verständnis der Bildung Mg-haltiger Carbonatminerale
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsprojekts war es, ein besseres Verständnis der Bildung und des Wachstums wasserfreier Mg2+-haltiger Carbonatminerale zu erhalten. Dabei lag ein besonderer Schwerpunkt des Projekts im direkten Vergleich des Wachstums der Minerale Magnesit (MgCO3) und Dolomit (CaMg(CO3)2) mit dem Mineral Norsethit (BaMg(CO3)2). Dieser Vergleich ist von herausragendem Interesse, da das Wachstum von Magnesit und Dolomit bei Raumtemperatur aus wässriger Lösung mit erheblichen Problemen behaftetet ist, aber Norsethit erfahrungsgemäß relativ leicht wächst. Das leichte Wachstum von Norsethit bei Raumtemperatur widerspricht der weitverbreiteten Annahme, dass die Stabilität des Mg2+ -Hydratkomplexes verantwortlich wäre für die Wachstumsprobleme von Magnesit und Dolomit. Um die Ursachen der Unterschiede und Gemeinsamkeiten des Wachstums wasserfreier Mg2+-haltiger Carbonatminerale zu erforschen, wurden im Projekt vor allem Experimente zum Mineralwachstum an den Rändern der beiden Systeme CaCO3-MgCO3 und BaCO3-MgCO3 durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen im CaCO3-MgCO3-System vervollständigten das bereits vorliegende Bild, wonach Mischkristallbildung in diesem System durchaus verbreitet ist und der Bildung des geordneten Doppelcarbonats Dolomit entgegenwirkt. Während das Calcitwachstum durch Mg2+ in der wässrigen Lösung bekanntermaßen stark inhibiert wird, konnte am gegenüberliegenden Rand keine Beeinträchtigung des Magnesitwachstums durch gelöstes Ca2+ festgestellt werden. Völlig anders verhielt sich das BaCO3-MgCO3-System. Hier traten keine Mischkristalle auf, sondern das Doppelcarbonat Norsethit, das über weite Zusammensetzungsbereiche bevorzugt gebildet wurde. Des Weiteren wurde das Wachstum der Randminerale Witherit (BaCO3) und Magnesit vom jeweilig anderen Kation nicht beeinflusst. Es kann demnach vermutet werden, dass das Fehlen einer Mischkristallbildung eine wichtige Voraussetzung für die Entstehung des entsprechenden geordneten Doppelcarbonates ist. Ein direkter, quantitativer Vergleich der Wachstumsraten von Magnesit und Dolomit einerseits und Norsethit andererseits setzt die Kenntnis der Temperaturabhängigkeit des Löslichkeitsproduktes von Norsethit voraus. Im Projekt konnten diese Daten experimentell erstmals bestimmt werden. Der dadurch ermöglichte quantitative Vergleich ergab, dass Norsethit bei 100 °C ungefähr 1000-mal schneller wächst als Magnesit und ungefähr 100.000-mal schneller als Dolomit. Solch erhebliche Unterschiede beweisen unzweifelhaft, dass nicht, wie zuvor angenommen, ausschließlich die Stabilität des Mg2+-Hydratkomplexes die Wachstumsrate dieser Minerale kontrolliert, sondern dass zumindest beim Wachstum von Norsethit ganz offensichtlich ein sehr effektiver Prozess für eine schnelle Inkorporation des Mg2+-Ions in den wachsenden Kristall sorgt. Dieser Prozess kann nur an der Oberfläche der Norsethitkristalle stattfinden. Obwohl der konkrete Mechanismus nach wie vor unbekannt ist, ist die Schlussfolgerung, dass eine gegebene strukturelle Oberflächenkonformation eine erhebliche katalytische Funktion bei der Dehydratation von Metallhydratkomplexen spielen kann, aber letztlich zwingend.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2016): On the effect of aqueous Ca on magnesite growth – Insight into trace element inhibition of carbonate mineral precipitation. Geochimica et Cosmochimica Acta, 178, 195-209
Berninger U.N., Jordan G., Lindner M., Reul A., Schott J. & Oelkers E.H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.gca.2016.01.019) - (2016): On the reactivity of Mg-Carbonates. Cotutelle-Dissertation an der Université Toulouse III Paul Sabatier und an der Fakultät für Geowissenschaften der Ludwig-Maximilians-Universität München
Berninger U.-N.
- (2017): On the effect of aqueous barium on magnesite growth – A new route for the precipitation of the ordered anhydrous Mg-bearing double carbonate norsethite. Chemical Geology, 460, 93-105
Lindner M., Saldi G.D., Jordan G. & Schott J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2017.04.019) - (2018): On the growth of anhydrous Mg-bearing carbonates - Implications from norsethite growth kinetics. Geochimica et Cosmochimica Acta, 238, 424-437
Lindner M, Saldi G.D., Carrocci S., Bénézeth P., Schott J. & Jordan G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.gca.2018.07.013) - (2018): On the growth of witherite and its replacement by the Mgbearing double carbonate norsethite – Implications for the dolomite problem. American Mineralogist, 103, 252–259
Lindner M. & Jordan G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.2138/am-2018-6232) - (2019): On crystal growth kinetics in the BaCO3-MgCO3 system. Dissertation, Fakultät für Geowissenschaften, Ludwig-Maximilians-Universität München. 100 S.
Lindner, Michael
(Siehe online unter https://doi.org/10.5282/edoc.23744)
